典型受载铁磁构件的数值模拟和磁特性

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2005.06.011 第27卷第6期 北京科技大学学报 VoL.27 No.6 2005年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dee.2005 典型受载铁磁构件的数值模拟和磁特性 任吉林”李晓刚)宋凯”唐继红”马宏伟》 I)南昌航空工业学院，南昌3300342)北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 3)兰炼技术中心设备防腐研究所，兰州730060 摘要研究了铁磁构件在受载状态下表面产生漏磁的磁记忆现象，对含小孔平板进行了有 限元分析，实测了受拉伸载荷时的漏磁场值，结果表明，应力集中对构件的磁特性有显著影 响，在应力引起的小范围塑性变形区域存在有效的磁记忆信号，采用磁记忆方法对设备承载 铁磁构件由应力集中造成的早期损伤进行检测是可行的. 关键词铁磁构件：应力集中：磁记忆检测：有限元法 分类号TF125.8;TM271 铁磁构件在使用过程中局部所承受的应力 载铁磁构件的设备检测中应用做先导性的研究 常常高达名义应力的数倍或数十倍，极易发生位 工作 错滑移变形，导致蠕变、疲劳、腐蚀的加速，甚至 发展成宏观裂纹等，从而使其破裂和失效的可能 1磁记忆检测基本原理 性增大，不仅会造成设备停止运行的事故发生 和重大经济损失，而且也对操作人员的人身安全 磁记忆检测技术的原理是基于铁磁构件的 磁致伸缩逆效应，铁磁材料都有磁致伸缩效应， 产生威胁.现在常用的对设备进行无损检测的方 法有超声、射线、涡流和声发射检测等，受检的构 即由于构件内部的磁化状态的改变而引起其几 件有的因为检测时表面要做较高要求的清理，工 何尺寸发生变化：反之，对构件施加外应力改变 作量大；有的因为工作条件恶劣，一旦发生宏观 其几何尺寸，构件内部的磁化状态也随之改变， 缺陷，极易爆裂或断裂，引发事故，所以有必要开 则称之为磁致伸缩逆效应.一般铁磁构件在经过 发新的无损检测方法对构件在役和大修时进行 熔炼、锻造、热处理等加工工艺时，温度大大超过 缺陷预诊断，以确定构件的应力集中部位和设备 居里点，构件内部的磁畴组织会被瓦解，磁性会 的早期损伤区域，为常规无损检测提供参考技术 消失，随后在金属冷却到居里点以下的过程中， 资料，从而确保关键设备的可靠运行· 一方面铁磁晶体在结晶的同时重新形成磁构造： 近年来兴起的磁记忆检测技术，利用铁磁材 另一方面会由于材料内部的各种不均匀性（如形 料的磁弹性和磁机械效应，通过载体与地磁场共 状、结构及含有夹杂或缺陷等)形成组织结构不 同作用下产生的磁记忆现象的检测来确定构件 均匀的遗传性.通常的磁性材料是多晶体，会形 表面或近表面的应力集中部位，可以准确可靠地 成复杂的磁畴结构.在同一晶粒内，磁畴的磁化 探测铁磁构件上以应力集中区为特征的危险部 方向有一定关系，而对于大量晶粒而言，晶粒的 位，是对金属构件进行早期诊断惟一行之有效的 方向是杂乱的，磁畴的磁化方向没有一定的关 无损检测方法.本文通过对受力铁磁构件进行 系，从而构件对外显示出各向同性.当对铁磁构 有限元应力分析和磁特性参数的测量，进一步探 件施加载荷时，若材料为各向同性，在立方晶系 讨磁记忆检测技术的机理，为该方法在电站等承 中，其应力能的表达式可简化为： E。--1.51cos20 (1) 收稿日期：200410-13修回日期：200412-10 基金项目：航空科学基金资助课题No.03G56001)片：国家“973” 式中，σ为应力，入为磁致伸缩系数，日为应力方向 计划资助项目No.1990065000) 与磁化方向之间的夹角.若在该构件上施加外应 作者简介：任吉林(1949一)，男，教授 力，弹性应力作用在铁磁体时，使构件中不连续

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 扮 口 艳 加 匕 一 。 典型受载铁磁构件的数值模拟和磁特性 任 吉林 ” 李晓 刚 ” 宋 凯 ” 唐 继 红 ‘， 马宏 伟 ” 南 昌航 空 工 业学 院 ， 南 昌 北京 科技 大 学材料 科学 与 工 程 学 院 ， 北 京 兰 炼技术 中心 设备 防腐研究所 ， 兰州 摘 要 研 究 了铁磁 构件在 受 载状 态 下表 面产 生 漏磁 的磁 记 忆现象 ， 对含 小孔 平 板进行 了有 限元 分析 ， 实测 了受 拉伸载荷 时 的漏磁 场值 结果 表 明 ， 应 力集 中对 构 件 的磁特性有显 著 影 响 ， 在应 力 引起 的 小范 围塑性变形 区 域存在有效 的磁记 忆信 号 ， 采用 磁 记忆 方 法 对 设 备承 载 铁磁 构件 由应 力集 中造 成 的早 期 损伤进行检测 是 可行 的 关键词 铁 磁 构件 应 力 集 中 磁 记 忆检 测 有 限元法 分 类号 铁 磁 构 件 在 使 用 过 程 中局 部 所 承 受 的应 力 常常 高达 名义 应 力 的数 倍 或数 十倍 ， 极 易发 生位 错 滑 移变形 ， 导致 蠕变 、 疲 劳 、 腐蚀 的加 速 ， 甚 至 发展 成宏观 裂 纹 等 ， 从 而使其破 裂 和 失效 的可 能 性 增 大 「， ， 不仅 会 造 成 设 备停止 运 行 的事 故 发生 和 重大 经济损 失 ， 而且 也对 操作人 员 的人 身安全 产 生威胁 现 在 常用 的对 设 备进 行 无损 检测 的方 法有超 声 、 射 线 、 涡流和 声发射 检测 等 ， 受检 的构 件有 的因为检 测 时表面 要做较 高要 求 的清 理 ， 工 作量 大 有 的 因 为 工 作 条 件 恶 劣 ， 一 旦 发 生 宏观 缺 陷 ， 极 易爆裂 或 断裂 ， 引发事故 所 以有必 要 开 发 新 的无 损 检 测 方 法 对 构件 在役 和 大 修 时进 行 缺 陷预 诊 断 ， 以确 定 构 件 的应 力集 中部位和 设备 的早 期损伤 区 域 ， 为常规 无损检测 提 供参考 技术 资料 ， 从 而确 保 关键 设 备 的可靠运 行 近 年来兴起 的磁 记忆检测 技 术 ， 利用铁 磁 材 料 的磁 弹性和 磁机械 效应 ， 通过载体与地磁 场共 同作 用 下 产 生 的磁 记 忆 现 象 的检 测 来 确 定 构 件 表 面 或近表 面 的应 力集 中部位 ， 可 以准 确 可靠地 探测 铁磁 构 件 上 以应 力集 中区 为 特 征 的危 险 部 位 ， 是对 金属 构件进行 早 期诊 断惟 一行 之 有 效 的 无 损检测 方法 本文 通 过 对 受 力 铁磁 构件 进 行 有 限元 应 力分析和 磁特性参数 的测 量 ， 进 一 步探 讨磁 记忆 检测 技术 的机 理 ， 为该 方 法在 电站 等承 收稿 日期 华 修 回 日期 的今 墓金项 目 航空科 学基金 资助课题 国家’ ’ 计划 资助项 目 。 作者 简介 任 吉林 一 ， 男 ， 教授 载 铁 磁 构件 的设 备 检 测 中应 用 做 先 导 性 的研 究 工 作 磁 记 忆检测 基 本原 理 磁 记 忆 检 测 技 术 的 原 理 是 基 于 铁 磁 构件 的 磁 致 伸 缩 逆 效应 铁 磁 材料 都有磁 致 伸缩 效应 即 由于 构 件 内部 的磁 化 状 态 的 改 变 而 引起 其 几 何 尺 寸 发 生 变 化 反 之 ， 对 构 件 施 加 外 应 力 改变 其 几 何尺 寸 ， 构件 内部 的磁 化 状态 也 随之 改变 ， 则称之 为磁 致伸缩逆 效应 一般 铁磁 构件在 经过 熔炼 、 锻造 、 热处 理 等加 工 工 艺 时 ， 温度 大大超 过 居 里 点 ， 构件 内部 的磁 畴组 织 会 被 瓦解 ， 磁 性会 消 失 随后 在 金属 冷 却 到居 里 点 以下 的过程 中 ， 一 方面铁磁 晶体在 结 晶 的 同时重 新形 成磁 构造 另一 方 面会 由于材料 内部 的各种 不 均匀性 如形 状 、 结构及 含有夹 杂或 缺 陷等 形 成 组 织 结构 不 均 匀 的遗传性 通 常 的磁 性 材 料 是 多 晶体 ， 会 形 成 复杂 的磁 畴结 构 在 同一 晶粒 内 ， 磁 畴 的磁 化 方 向有一 定关 系 ， 而对 于 大 量 晶粒 而 言 ， 晶粒 的 方 向是 杂 乱 的 ， 磁 畴 的磁 化 方 向没 有 一 定 的关 系 ， 从 而构 件对外 显 示 出各 向同性 当对 铁 磁 构 件施 加 载荷 时 ， 若 材料 为 各 向同性 ， 在 立 方 晶系 中 ， 其 应 力 能 的表 达 式 可 简化 为 瓦 一 几此 ， 式 中 ， 。 为应 力 ，几为磁 致 伸 缩 系 数 ， 为应 力 方 向 与磁化 方 向之 间 的夹角 若在 该 构件 上施加外 应 力 ， 弹性应 力作用 在 铁 磁 体 时 ， 使 构 件 中不 连 续 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2005．06．011

Vol.27 No.6 任吉林等：典型受载铁磁构件的数值模拟和磁特性 685· 区聚集相当高的应力能，产生很强的应力集中. 应力状态.为简化计算模型，只截取部分模型进 为了使铁磁构件内的总的自由能趋于最小，在磁 行分析，试件置于X-Y平面.模型的网格如图2所 机械效应的作用下必将引起构件内部的磁畴在 示，分成小孔区和非小孔区两个部分，均采用映 地球磁场的作用下作畴壁的位移甚至不可逆的 射网格划分，小孔区的网格细化，非小孔区网格 重新取向排列，主要以增加磁弹性能的形式来抵 较稀疏，这样既可保证计算结果的精度，又减少 消应力能的增加，从而，在铁磁构件内部产生高 了不必要的计算时间.划分网格后，单元共为 于地球磁场强度的磁场强度.同时在载荷消除之 7089个，节点14474个.施加约束后，保证变形协 后，加载时在金属内部形成的应力集中区会得以 调，便可实施计算. 保留，特别是在动载荷、大变形和高温情况下尤 工 为突出.保留下来的应力集中区同样具有较高的 应力能.因此，为抵消应力能，在磁机械效应的作 用下引发的磁畴组织的重新取向排列也会保留 下来，并在铁磁构件应力集中区表面形成类似缺 陷的漏磁场分布形式，其磁场分量为： h(x+b) h(x-b) Hanx6+nan女-6r (2) a-a完2 图2构件模型 Fig.2 Model of a specimen 其中磁场的切向分量H,(x)会出现最大值，而法向 2,2模拟结果和漏磁结果分析 分量H,y)的符号发生改变，且具有过零值点，如 在有限元分析时，使用载荷步控制载荷的加 图1所示，磁记忆检测技术即通过H,y)的测量结 载，依次为00,0a,00,0a,,然后逐级卸载，直至 果来反映构件的应力集中情况，从而为金属构件 载荷全部卸除.为了进行比较，分别进行了弹性 的结构强度和可靠性评价提供一个重要的依据， 和弹塑性的有限元分析.图3为选取小孔与左端 面相接的节点的弹性和弹塑性解. 1100 一■一弹塑性解 900 一。一弹性解 ,▲一弹塑性卸载解 700F 500 300 100 -100L 050100150200250300350400 图1应力集中区漏磁场分布图 Fig.I Magnetic leakage field in a stress concentration zone 载荷MPa 图3模型的弹性解和弹塑性解 Fig.3 Stress analysis results of a single node 2有限元分析和磁记忆检测 根据模型的理论解，在该节点的应力集中系 2.1模型的建立 数为3，从图3可以看出，弹性解基本上与理论解 以45钢平板试件为例，在平板中间加工一 相吻合.在载荷为80MPa左右，弹性解和弹塑性 个圆孔.试件的宽度为2b=80mm,长度2L=160 解曲线分离，表明材料局部进入小塑性范围，随 mm,厚度为6mm,圆孔半径R为2mm.材料为各 载荷增加应力值也增加，卸载时，弹性解的曲线 向同性，弹性模量为E=2.09×10MPa,泊松比v 同图3中一致，弹塑性解曲线并不与加载时一 =0.269,材料的屈服应力a,=355MPa,切变弹性模 致，表明此时试件已经发生了不可逆的塑性变形 量为8.2×10MPa.塑性材料模型采用经典的双线 和硬化.当将载荷完全卸除后，试件在该点仍然 性随动强化，这种模型与要求的Ramberg-Osgood 有18.5MPa的残余应力 材料关系分析结果会产生一定误差，但对计算结 为探索加载构件的应力状态与其产生的漏 果不会有很大的影响5，.计算时假设试件为平面 磁场之间的规律，制作了大量有加工缺陷的试

‘ 任 吉林 等 典型 受载铁 磁构件 的数 值模 拟和 磁 特 性 区 聚 集相 当高 的应 力 能 ， 产 生 很 强 的应 力 集 中 为 了使铁 磁 构件 内的总 的 自由能趋 于 最 小 ， 在磁 机 械 效应 的作用 下 必 将 引起 构 件 内部 的磁 畴在 地 球 磁 场 的作 用 下 作 畴壁 的位 移 甚 至 不 可 逆 的 重新取 向排列 ， 主 要 以增加磁 弹性 能 的形式来抵 消应 力 能 的增 加 从 而 ， 在 铁磁 构 件 内部 产 生 高 于 地 球 磁场 强度 的磁 场 强度 同时在 载 荷 消除之 后 ， 加 载 时在 金属 内部形 成 的应 力集 中区会 得 以 保 留 ， 特 别是 在 动 载 荷 、 大 变 形和 高温 情 况 下 尤 为突 出 保 留下 来 的应 力集 中区 同样 具 有较 高 的 应 力能 因此 ， 为抵 消应 力 能 ， 在磁机械 效应 的作 用 下 引 发 的磁 畴 组 织 的重 新 取 向排 列 也 会 保 留 下 来 ， 并 在铁磁 构件 应 力集 中区 表 面 形成 类似缺 陷 的漏 磁 场 分布 形 式 其磁 场 分量 为。 ， 应 力状 态 为 简 化 计 算 模 型 ， 只 截 取 部 分模 型进 行分析 ， 试件 置 于 ￥‘ 了平面 模型 的 网格如 图 所 示 ， 分成 小 孔 区和 非 小 孔 区 两 个 部 分 ， 均采用 映 射 网格 划 分 ， 小孔 区 的 网格 细 化 ， 非 小 孔 区 网格 较 稀疏 ， 这 样 既 可保 证 计 算 结果 的精度 ， 又 减 少 了不 必 要 的计 算 时 间 划 分 网格 后 ， 单 元 共 为 个 ， 节 点 个 施 加 约束后 ， 保 证 变 形协 调 ， 便 可 实施 计 算 「 ， ， 仅十 』 ， 一 从 么赢伪 ‘ 获不面百砰动 厄一 获兀子砍开砂 ，， 、 福 一 。 ， 二 、 ， 、 ，「‘ 二 、 。 ‘ 环 氦 加器湍锹骂影端 攀黝麟 卜蚕卜舞里色舅色内 孚 山尊砚氨【粼书什麟什旧排料什 其 中磁场 的切 向分量 会 出现 最 大值 ， 而法 向 分 量凡切 的符 号 发 生 改变 ， 且 具 有 过 零值 点 ， 如 图 所 示 磁 记忆 检测 技术 即通 过城伽 的测 量 结 果来 反映构件 的应 力集 中情 况 ， 从而 为金 属构件 的结构 强度 和 可靠 性评价 提 供 一 个 重 要 的依 据 图 构件模 型 · 口 模 拟 结 果 和 漏 磁 结 果 分析 在 有 限元 分析 时 ， 使用 载 荷 步 控 制 载荷 的加 载 ， 依次 为 氏 ， 氏 ， ‘ ， 丙 ， 然 后 逐 级 卸 载 ， 直 至 载 荷 全 部 卸 除 为 了进 行 比较 ， 分 别 进 行 了弹 性 和 弹 塑 性 的有 限元 分 析 图 为选 取 小 孔 与 左 端 面 相接 的节 点 的弹性 和 弹塑 性解 厂一 百不潭塑性解 一 一 工，‘﹃ 只创﹄写妞 图 应 力集 中区漏磁场 分 布图 珑 ， ， 丘 有 限 元 分 析 和 磁 记 忆检测 模 型 的建立 以 俘钢 平 板试 件 为例 ， 在 平 板 中 间加 工 一 个 圆孔 试 件 的 宽度 为 二 ， 长 度 幻。 ， 厚度 为 ， 圆孔 半径 为 」 材 料 为 各 向同性 ， 弹性模量 为 ” ， ， 泊松 比 ， 材料 的屈 服应 力 ， 切 变弹性模 量 为 ‘ 塑性 材料 模 型采 用 经 典 的双 线 性 随动 强化 ， 这种模 型与要 求 的 屯 一 材料 关 系分 析 结 果会产 生一 定误 差 ， 但对 计算 结 果 不会 有 很 大 的影 响“ 计 算 时假 设试件 为平 面 一 一 一 一 一一 一 一‘ 一一 一 ‘ 载荷 一 图 模型 的弹 性解 和 弹塑性解 代 作 根 据 模 型 的理 论 解 ， 在 该 节 点 的应 力 集 中系 数 为 从 图 可 以看 出 ， 弹性 解 基本 上 与 理论 解 相 吻 合 在载 荷 为 左 右 ， 弹性 解 和 弹塑 性 解 曲线 分 离 ， 表 明材料 局 部 进 入 小 塑 性 范 围 ， 随 载 荷 增 加 应 力 值 也 增 加 卸载 时 ， 弹 性解 的 曲线 同 图 中一 致 ， 弹 塑性解 曲线 并不 与加 载 时 一 致 ， 表 明此 时试 件 己 经 发生 了不 可 逆 的塑 性变 形 和 硬 化 当将 载 荷完全 卸 除后 ， 试 件 在 该 点仍 然 有 的残 余 应 力 为 探 索 加 载 构 件 的应 力 状 态 与 其 产 生 的 漏 磁 场 之 间 的规 律 ， 制 作 了大量 有加 工 缺 陷 的试

686· 北京科技大学学 报 2005年第6期 件，进行热处理以消除因加工引起的残余应力， 然后经磁记忆检测仪检测无过零点后置于拉伸 试验机上加载，进行拉伸实验及磁记忆检测试 验.实验时载荷与有限元分析载荷档一致，在每 个载荷档加载完毕后，都采用弱磁场测量仪测量 构件各点漏磁场大小.以图3模型节点为例，图4 所示即为加载过程的磁场值，对照图3和图4可 以看出，在0~0®阶段随外载荷增加，试件的应力 增大，其漏磁场也随之增加，并在左右达到 图5剪应力的有限元结果 最大值，而在有限元分析中，此时也是试件于弹 Fig.5 Finite element results of shearing stress 塑性解的加载和卸载的结合点，在大于G阶 接而形成微裂纹，可见这种塑性变形在裂纹尖端 段，磁场信号下降. 的滑移带上，而滑移带与拉伸约成45°，从而使试 产生上述信号变化的主要原因是，构件加载 件在该方向上发生塑性变形，甚至断裂围 第一阶段，应力逐渐加大，应力能随之增加，构件 对不同试件采用了各种载荷档进行加载实 应力集中处的磁化状态也逐渐加剧，但此时构件 验，拉断的试件基本上成45°剪切断裂，对未断裂 仍然处于线弹性或小范围屈服状态.在第二阶 的试件的利用EMS-2000型磁记忆检测仪检测， 段，随着加载的继续，构件发生大范围屈服，逐步 其信号也基本上在这一角度方向，检测结果如 趋于塑性变形，此时构件发生应变强化过程，阻 图6白线所示，在白线处有很强的磁记忆信号. 止继续变形，并使屈服极限提高，但发生塑性变 可以看出，有限元结果与磁记忆检测结果符合的 形后，塑性区能量有所释放可，转化为磁弹性能的 很好. 能量减小，因而测得的磁记忆信号变小， 600A 500 400 300 图6试件的磁记忆检测结果 200 Fig.6 Stress concentration line of magnetic memory testing 100 影响试件表面的漏磁场的因素很多，如载荷 的形式、载荷的大小、交变载荷的频率、试件的位 -0.20.00.20.40.60.81.01.21.4 ala, 置和周围的环境等，为了准确测量试件表面的各 图4随应力变化的磁记忆信号 点的漏磁场来研究磁记忆现象，自制了一个高精 Fig.4 Effect of stress on magnetic memory signal 度的扫描架，该系统由两个互相垂直的定位装置 进一步对有限元不同载荷步结果进行分析， 构成，定位装置由步进电机带动，可用驱动模块 如以载荷355MPa为例，图5为剪应力的等值线 控制，也可与计算机相连，通过计算机控制步进 云图，图中A=-178MPa;B=-145MPa;C=-120 电机的移动距离.系统的测量范围为12mm×120 MPa:D=-94.6 MPa;E=-69.5 MPa;F=-44.3 MPa;G= mm,丝杆的螺距为0.8mm,精度可达0.005mm. -19.1MPa;=-6.05MPa;=31.2MPa.可以看到， 系统如图7所示.图7()为扫描架的系统图，将弱 在小孔处，剪应力的最大值出现在45°位置的两 磁场测量仪的传感器固定在定位系统上，垂直于 端，二者应力大小相差无几，应力方向相反.根据 试件放置，以测量试件表面的漏磁场H,)值：图 断裂力学理论分析”，材料在受到拉力作用时，将 7(6)为传感器的扫描方式图，逐点对试件表面进 同时受到拉力和剪切力作用，构件最终受力是其 行测量，以获得试件的漏磁场分布. 叠加结果，而位错理论认为，剪切应力是位错运 利用该扫描定位系统，测量试件卸载后的表 动的驱动力，位错运动使金属材料产生塑性变 面各点的磁场值.将试件从拉伸试验机上取下， 形.在韧性断裂过程中，在小孔等人工缺陷周围 水平放置重新夹固好，把弱磁场测量仪的传感器 产生许多显微空洞，这些空洞长大后由于相互连 如图7固定在扫描系统上，调整扫描系统的位

翻‘ 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 件 ， 进 行 热处 理 以消 除 因加 工 引起 的残 余应 力 ， 然 后 经 磁 记 忆 检测 仪 检 测 无 过 零 点后 置 于 拉伸 试验 机上 加 载 ， 进 行 拉 伸 实验 及 磁 记 忆 检测 试 验 实验 时载荷 与 有 限元 分 析载荷档 一 致 ， 在每 个载荷 档 加载 完 毕 后 ， 都 采用 弱磁 场 测量 仪 测量 构件 各 点漏磁场 大 小 以图 模型节 点为例 ， 图 所 示 即为加 载过 程 的磁 场值 对 照 图 和 图 可 以看 出 ， 在 初。 阶 段 随外 载荷增 加 ， 试 件 的应 力 增大 ， 其漏 磁场 也 随之增 加 ， 并在 ‘ 左 右 达 到 最 大值 ， 而在 有 限元 分 析 中 ， 此 时也 是试 件 于 弹 塑 性 解 的加 载 和 卸 载 的 结 合 点 在 大 于 ‘ 。 阶 段 ， 磁 场信 号 下 降 产 生上 述 信 号变 化 的主 要 原 因是 ， 构件 加载 第 一阶段 ， 应 力逐渐加大 ， 应力 能随之增 加 ， 构件 应 力集 中处 的磁 化状态也逐渐加剧 ， 但 此 时构件 仍 然 处 于 线弹 性 或 小 范 围屈 服 状 态 在 第 二 阶 段 ， 随着 加载 的继 续 ， 构件 发生大 范 围屈 服 ， 逐 步 趋 于塑性变形 ， 此 时构件发 生应 变 强化过程 ， 阻 止 继 续变形 ， 并使屈 服 极 限提 高 但发 生 塑 性变 形后 ， 塑性 区 能量有所 释 放 ， 转 化 为磁 弹 性 能 的 能量减 小 ， 因而 测 得 的磁 记 忆信号变 小 图 剪 应 力的有限 元结果 旧 物 ，卜 血 时 翻， 接而形成 微裂 纹 ， 可见 这 种 塑 性变 形 在裂 纹尖 端 的滑 移 带上 ， 而滑 移 带 与 拉伸约 成 ， 从而使试 件在 该 方 向上 发 生 塑性 变 形 ， 甚 至 断裂 ，， 对 不 同试 件 采 用 了各 种 载 荷 档 进 行 加 载 实 验 ， 拉 断 的试 件基 本 上成 剪切 断裂 ， 对 未断裂 的试 件 的利用 型磁 记 忆 检 测 仪 检测 ， 其 信 号 也 基 本 上 在 这 一 角 度 方 向 ， 检 测 结 果 如 图 白线所 示 ， 在 白线 处 有 很 强 的磁 记 忆 信号 可 以看 出 ， 有 限元 结 果 与磁记忆检 测 结果符合 的 很 好 户叨 图 ‘ 试件的磁 记忆检测 结果 ‘ 到比 。 “ 肠 血 沙 口 血 、、、 一 ， 氏 图 随应 力变化的磁记忆信号 幻阮 。 ， 二 血 口恤 口 邵 进 一步对有 限元 不 同载荷步结果进 行 分析 ， 如 以载荷 为例 ， 图 为剪应力 的等 值 线 云 图 ， 图 中 一 于一 价一 石片 一 二 一 卢’ 一 一 月阵一 可 以看到 ， 在 小孔 处 ， 剪应 力 的最 大值 出现 在 位 置 的两 端 ， 二者应 力大小相 差无 几 ， 应 力方 向相 反 根据 断裂力学理 论分析 ‘” ， 材料在受 到拉力作用 时 ， 将 同时受到拉 力和剪切 力作用 ， 构 件最 终受 力 是其 叠加 结果 而位错 理 论 认 为 ， 剪 切 应 力 是位 错 运 动 的驱 动 力 ， 位 错 运 动 使金 属 材料产 生 塑 性变 形 在 韧性断裂 过 程 中 ， 在 小孔 等人 工 缺 陷周 围 产 生许 多显微空洞 ， 这些 空洞长 大后 由于 相 互连 影 响试件表 面 的漏 磁 场 的 因素很 多 ， 如 载荷 的形 式 、 载荷 的大 小 、 交变载 荷 的频 率 、 试件 的位 置和 周 围 的环 境 等 为 了准 确测 量试件 表 面 的各 点 的漏 磁 场 来研 究磁 记忆 现 象 ， 自制 了一 个 高精 度 的扫 描架 该系 统 由两 个互 相 垂直 的定位装 置 构成 ， 定 位 装 置 由步进 电机 带动 ， 可用 驱 动模块 控 制 ， 也 可 与计 算机 相 连 ， 通 过 计 算机 控 制 步 进 电机 的移 动 距 离 系 统 的测 量 范 围为 ‘ ， 丝 杆 的螺 距 为 ， 精 度 可 达 系统如 图 所 示 图 为扫描架 的系统 图 ， 将弱 磁场 测 量 仪 的传 感器 固定在 定位 系 统上 ， 垂直 于 试件放 置 ， 以测 量 试件 表 面 的漏 磁 场拭切值 图 为 传 感 器 的扫 描 方 式 图 ， 逐 点对试 件表 面 进 行测 量 ， 以获 得 试 件 的漏 磁 场 分 布 利 用 该扫 描 定位 系 统 ， 测 量 试 件 卸载 后 的表 面各点 的磁场 值 将 试件 从 拉伸 试验 机 上 取 下 ， 水平放置 重 新 夹 固好 ， 把 弱磁场 测 量 仪 的传感器 如 图 固 定在 扫 描 系 统 上 ， 调 整 扫 描 系 统 的位 日 · ︾分

Vol.27 No.6 任吉林等：典型受载铁磁构件的数值模拟和磁特性 ●687· (a) (b) 3结论 设备主承压部件受力情况复杂，工作环境恶 试件 劣，在运行过程中常会因各种微观或宏观的应力 作用而产生应力集中，甚至发生破坏，磁记忆检 测能对受载铁磁构件表面应力集中部位进行准 定位系统 传感器 扫描方式 确的探测，是对铁磁构件早期损伤区域进行预诊 图7扫描架系统图 Fig.7 Scanning frame system 断的行之有效的无损检测方法.通过对含小孔铁 置，使传感器与试件保持5mm的间距，控制步进 磁构件的有限元分析，并应用弱磁场测量仪对加 载实验过程中的铁磁构件进行测量，发现随应力 电机使水平步距为1mm,垂直步距为2mm,测量 区域为小孔周围部分.试件表面磁场的三维图如 增大磁场先增大后减小，磁场值与试件的所处状 态有关：应用磁记忆检测仪检测发现有磁记忆信 图8所示.从图8可以看出，在试件小孔（坐标原 点处)附近的区域，距离小孔越近，磁场值越小， 号的区域和有限元应力分析结果比较一致；同时 并且由正变负，离小孔越远的区域，磁场值越大， 利用自制扫描架测量试件的漏磁场，也验证了上 在小孔区域附近，磁场值为零的位置并不相同， 述结果的一致性.表明磁记忆方法对工程应用的 设备中承载的铁磁构件（如电站锅炉及压力容器 基本上在小孔边缘45°线附近，中间为正，形成了 一个波峰，这和磁记忆检测结果是一致的，和有 管道)由应力集中所造成的早期损伤进行检测是 可行的，可望在实际工程检测中得到推广应用. 限元分析应力的结果也有很好的对应关系， 参考文献 [】高春法黄昌光，宋凯，等.磁记忆检测在压力容器检验中 的应用.无损检测，2003,25(5：247 [2]温伟刚，萨殊利.金属磁记忆检测机理及实现.北方交通 100 大学学报，2002,26(4)：67 [3]任吉林，高春法，宋凯，等.电站铁磁构件的磁记忆检测， 50 仪器仪表学报，2003,24(5：470 0 [4任吉林，林俊明.金属磁记忆检测技术.北京：中国电力出 超 版社，2000 50 0 [5】刘金依，裂纹深度和材料特性对断裂参量的影响，煤矿机 -100 0 械，2002(1)：26 40 y 20 [6)龚曙光.ANSYS工程应用实例解析.北京：机械工业出版 */mm 0 20 20 杜，2003 40 [7)高庆主.工程断裂力学.重庆：重庆大学出版社，1986 图8漏磁场的三维图 [8]束德林.金属力学性能.北京：机械工业出版社，1999 Fig.8 Three-dimension image of the magnetic leakage field Numerical simulation and magnetic characteristic of typical ferromagnetic com- ponents in loading state REN Jilin",LI Xiaogang,SONG Kai,TANG Jihong",MA Hongwei 1)Nanchang Institute of Aeronautical Technology,Nanchang 330034,China 2)Materials Science and Engineering School,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China 3)Technology Centre,Research Institute of Equipment Corrosion Prevention,Lanzhou Oil-Refining Co.,Lanzhou 730060,China ABSTRACT The phenomenon of magnetic memory that the magnetic leakage field generates on the surface of fer- romagnetic components in loading state was investigated.The stress of the plate with a hole in the center was cal- culated by the finite element method and the magnetic leakage field of the plate under the load of tension was me- asured.The results indicate that stress concentration strongly affects the magnetic properties of ferromagnetic com- ponents.Valid magnetic memory signals exist in a small scale of plastic deformation zone.It is feasible to detect the initial damage of ferromagnetic components caused by stress concentration by the magnetic memory testing method. KEY WORDS ferromagnetic components:stress concentration;magnetic memory testing;finite element analysis

、 任 吉林 等 典型 受载铁磁构件 的数 值模 拟和 磁 特性 一 扫描方式 尸一扩公飞 ﹄ 比污斗渐淤︸口脚，器爪以 感 · 产 ︺ 岁无岌传匕犷 、洲戈丫洪刁晰 亡 牲八统 。。 户卜石系产 飞少。、 、 位 图 扫描架 系统 图 落 恤 ， 置 ， 使传 感 器 与试件 保 持 们。 的 间距 ， 控制 步 进 电机使水 平 步距 为 ， 垂 直 步距 为 ， 测 量 区域 为小孔 周 围部分 试件 表 面磁 场 的三 维 图如 图 所 示 从 图 可 以看 出 ， 在 试 件 小 孔 坐 标 原 点处 附近 的 区域 ， 距 离 小孔越 近 ， 磁场 值越 小 ， 并且 由正 变 负 ， 离小 孔越 远 的区 域 ， 磁场值越 大 在 小孔 区 域 附近 ， 磁 场 值 为 零 的位 置 并 不 相 同 ， 基 本 上 在 小孔 边 缘 线 附近 ， 中间为正 ， 形成 了 一 个 波峰 ， 这 和 磁记 忆 检 测 结 果 是 一 致 的 ， 和 有 限元 分 析应 力 的结果 也 有 很 好 的对 应 关系 结论 设备 主承 压 部件 受 力情 况 复杂 ， 工 作 环 境恶 劣 ， 在 运 行 过 程 中常会 因各种 微 观 或 宏 观 的应 力 作用 而 产 生应 力集 中 ， 甚 至 发生破 坏 ， 磁 记 忆 检 测 能对 受 载 铁 磁 构件 表 面 应 力 集 中部 位 进 行 准 确 的探测 ， 是 对铁磁 构件 早 期损 伤 区 域进 行预 诊 断 的行 之 有效 的无 损检 测 方 法 通 过对 含 小孔铁 磁 构件 的有 限元 分 析 ， 并应 用 弱 磁场 测 量 仪对 加 载 实验 过程 中 的铁 磁 构件 进 行测 量 ， 发 现 随应 力 增大磁场 先增 大后 减 小 ， 磁场 值 与试 件 的所 处状 态有 关 应用 磁 记 忆检 测 仪检测 发现有磁记忆信 号 的区域和 有 限元应 力分 析 结果 比较 一致 同 时 利用 自制扫描 架 测量试件 的漏 磁 场 ， 也验 证 了上 述 结 果 的一致 性 表 明磁 记忆 方法对 工 程应 用 的 设 备 中承 载 的铁 磁 构件 如 电站 锅 炉 及 压 力容器 管道 由应 力 集 中所 造 成 的早 期 损伤进 行 检测 是 可 行 的 ， 可 望 在 实 际工 程 检 测 中得 到 推 广 应 用 考 文 献 图 漏 磁场 的三维 图 卜 沁 油 高春法 ，黄 昌光 ， 宋 凯 ， 等 磁 记忆检 测 在压 力容 器检验 中 的应用 无 损 检测 ， ， 温伟刚 ， 萨殊 利 金属 磁记 忆检测机理及 实现 北 方 交 通 大 学学报 ， ， 任 吉林 ， 高春法 ， 宋凯 ， 等 电站 铁磁 构件 的磁 记 忆检 测 仪器 仪 表 学报 ， ， 任吉林 ， 林俊 明 金属 磁记 忆检测技术 北 京 中国电力 出 版社 ， 刘 金依 裂纹深 度 和 材料特性对 断裂参 量 的影 响 煤矿机 械 ， 龚曙 光 工 程 应 用 实例解 析 北 京 机械工 业 出版 社 ， 高 庆主 工 程 断 裂 力学 重庆 重庆大学 出版社 ， 束 德 林 金属 力 学性 能 北京 机械工 业 出版 社 ， 参 找一艇想嘱禅 ‘ 电， 尺￡ 气 犷气 ， 刀囚 。 ， 赫盆 ， ， ， 川 亚 ， ， 七℃， 眠 卿 ， 一 石 ， ， 卜 。 ℃ 姗 。 习 〕 的 ， 加